鲁科版选35核聚变、核能的利用与环境保护　 第1课时 学案.docx

第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护学习目标：1.了解聚变反应的特点及其条件，并能计算核聚变释放的能量2.了解可控热核反应及其研究和发展前景3.了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施学习重难点：重点：计算核聚变释放的能量难点：了解可控热核反应及其研究和发展前景学习过程：预习知识1轻核聚变采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能这样的核反应称为轻核聚变2太阳内部核聚变的反应方程hhhen.3核子聚变的条件要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围4物质第四态等离子态高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才能实现聚变5约束等离子体的三种方式引力约束、磁约束、惯性约束6核电站：将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂工作流程：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能燃料：反应堆以u为燃料7核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器8核能的优势(1)核能发电比燃煤发电的成本低(2)核电站对环境污染比燃煤发电小得多9核能利用存在的危害(1)核废料的高辐射性(2)放射性物质泄漏，产生核污染(3)核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏思考1.为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力？【提示】氢弹爆炸是热核反应，需要达到几百万摄氏度的高温才能进行，只有利用原子弹爆炸时的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备了制造原子弹能力的国家才能制造氢弹2.原子弹和氢弹的装置有何不同？【提示】(1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置(2)氢弹是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置自主整理1.目前核电站的反应堆以_为燃料，发电成本低于煤电.2.原子弹是一种没有减速剂、不加控制的_装置.一种装置称为_装置；另一种方法称为_.3.氢弹是一种靠_不需人工控制而实现聚变的反应装置.在弹体内装有热核材料_、_以及_.当普通炸药爆炸时，铀块或钚块迅速合为一体，使其体积超过_而发生原子弹爆炸.爆炸的高温高压使氘、氚等轻核发生_，产生很高的能量直至再次发生更大规模的爆炸.知识简介：原子弹 原子弹就是设法使铀235的体积超过它的临界体积，只要有中子进入铀块，就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内，释放出大量的核能，发生猛烈爆炸.氢弹 氢弹则是利用原子弹爆炸产生的热核反应提供所需温度，使氘和氘发生聚变，从而引起新的爆炸.中子弹 中子弹是以氘和氘进行热核反应为主要能量来源，以爆炸中产生大量的高能中子作为主要杀伤因素的一种小当量战术核武器.中子弹实际上是一种经过改进的加强辐射的小型氢弹，与氢弹不同的是它要求裂变初级的裂变当量不能大(一般为几百到上千吨tnt当量).自1945年世界上成功地进行了第一次核试验以来，由于核武器具有巨大的威力，得到了各国政府的高度重视，在国际政治、军事、外交等各方面起着极其重要的作用.名师解惑1.氢弹爆炸的原理剖析：氢弹是利用轻核聚变制成的爆炸武器，其构造如图4-4-1所示.聚变材料是氘和氚,产生聚变反应的高温条件是原子弹的爆炸提供的.当引爆装置引起普通炸药爆炸时，将铀块迅速合拢产生原子弹爆炸，由此产生的高温使氘和氚迅速、剧烈地进行生成氦的热核反应，引起氢弹的爆炸.氢弹的炸药氘和氚没有临界体积的限制，可以做得很大.但氚是不稳定的核素，其半衰期为12.5年，所以不能久存.氢弹常用氘化锂和氚化锂作原料，在原子炸药爆炸时产生的大量中子轰击锂核可以产生氚，以补充氚的供应.氢弹爆炸时完成以下反应：图4-4-1+4.8 mev+52he+17.6 mev2.太阳能剖析：太阳每时每刻都在向太空辐射着巨大的能量，其辐射功率大约是1026 js-1.这些能量来自太阳上持续进行的热核反应.目前，人们认为太阳上主要存在着两种聚变过程：一种是所谓的碳氮循环，其具体反应过程如下：+总的循环结果是把四个质子聚合成了一个，同时放出了两个+粒子、两个中微子和大约26 mev的能量.在这个循环中碳和氮数量不变，只起媒介作用.另一种是氢氢链式反应，具体反应如下：+这些反应总的结果与上面碳氮循环反应相同.根据目前的数据，氢氢链式反应在太阳中是主要的反应过程，产生的能量约占总能量的96%.讲练互动【例题】核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源.近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站.一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子.若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u，1 u=1.6610-27 kg.(1)写出氘和氚聚合的反应方程.(2)试计算这个核反应释放出来的能量.(3)若建一座功率为3.0105 kw的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？(一年按3.2107 s计算，光速c=3.00108 m/s，结果取两位有效数字)解析：(1)+.(2)e=mc2=(2.014 1+3.016 0-4.002 6-1.008 7)1.6610-27321016j=2.810-12 j.(3)m=2.014 11.6610-27 kg=kg=23 kg.答案：(1)+(2)2.810-12 j (3)23 kg变式训练海水中含有丰富的氘，完全可充当未来的主要能源.两个氘核的核反应如下：+，其中氘核质量为2.013 6 u，氦核质量为3.015 0 u，中子质量为1.008 7u.求：(1)核反应中释放的核能.(2)在两个氘核以相等的动能0.35 mev进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能.解析：(1)由e=mc2得：释放的核能e=(22.013 6-3.015 0-1.008 7) u931.5 mev/u=3.26 mev.(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程动量守恒，由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即0=mhevhe+mnvn又因为反应前后总能量守恒，即mhevhe2+mnvn2=e+2ek0因为mhemn=31，所以氦核和中子的速率之比为：把这两个关系代入式得：e+2ek0=4mhevhe2=4ekhe即(3.26+20.35) mev=4ekhe所以ekhe=0.99 mevekn=3ekhe=2.97 mev.答案：(1)3.26 mev(2)ekhe=0.99 mev，ekn=2.97 mev体验探究【问题】为什么国际社会不允许无核武器国家获取或制造核武器？导思：主要从放射性物质对人类、自然界的危害来考虑.探究：核武器主要原料是这一放射性物质，还包括和以及其他高放射性物质.核武器爆炸后在相当长的时间内生物不能生存，甚至致癌，或导致后代畸形.造成大面积的地区污染，给人类和自然界带来恐慌和动荡，所以要禁止核扩散.作业：1以下说法正确的是()a聚变是裂变的逆反应b如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量c聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应d裂变与聚变均可释放巨大能量e裂变反应速度可以实现人工控制，但却不容易控制轻核聚变反应速度【解析】聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故a错聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故b错核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故c、d正确，现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，e正确【答案】cde2能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的是() a.hhhen是核聚变反应b.hhhen是衰变c.unbakr3n是核裂变反应d.unxesr2n是衰变e.nliheh是原子核的人工转变反应【解析】hhhen是轻核聚变反应，a正确，b错误；unbakr3n和unxesr2n均为重核裂变反应，c正确，d错误；nliheh是用人工方法获得轻核聚变燃料的人工转变反应，e正确【答案】ace3氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：hhhex，式中x是某种粒子已知：h、h、he和粒子x的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u，c是真空中的光速由上述反应方程和数据可知，粒子x是_，该反应释放出的能量为_mev(结果保留3位有效数字)【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是n(中子)核反应中的质量亏损为m2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u所以该反应释放出的能量为emc217.6 mev.【答案】n(或中子)17.64为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在核电中长期发展规划中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()a核能发电对环境的污染比火力发电要小b核能发电对环境的污染比火力发电要大c所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能d所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能e如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能是比较清洁的能源，故a、c正确，b、d错，如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，e正确【答案】ace5关于核能的利用，下列说法正确的是()a核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能b采用“内爆法”促使链式反应，